燃气工程常用材料与设备

1、燃气工程常用材料与设备管材一、输气管线对材质的要求输气管线用钢除必须满足强度要求（力学性能）和可焊性外，还需根据环境温度、管径大小、输送压力及输送介质的腐蚀性等条件，考虑钢材的冲击韧性、韧 脆转变温度和耐腐蚀性能。（一）力学性能衡量钢材力学性能的主要指标有抗拉强度、屈服限、伸长率等。1抗拉强度(T b钢的抗拉强度是指钢材在拉伸试验中，试样在拉断时对应的最大应力，用330 515MPa表示，单位为MPa同一种钢的不同试件测定出的抗拉应力略有差别，标准中提供 的抗拉强度是指该钢种最低抗拉强度值。我国常用管材抗拉强度在 之间，见表3 1 1 o2 屈服强度钢的屈服强度是指钢在拉伸试验中，试样拉伸变形

2、，当不计初始瞬时效应时， 屈服阶段中的最小应力，用d s表示，单位为 MPa同钢种的不同试件测出的最小屈服应力略有差别，标准给定的屈服强度是该钢种的最小屈服应力（保证值）。屈服强度是强度计算的基本数据。我国常用管线用钢的屈服强度在205415MPa之间。3.伸长率伸长率又称断后伸长率，是对钢的塑性的一种度量，伸长率是钢在拉伸试验 时，试样被拉断后，标距的伸长与原标距的百分比。钢的屈服强度愈低，则伸长 率愈大，标志钢的塑性愈好。伸长率大的钢材制管成型好，易于焊接加工。常用国产管材的伸长率一般均大于20%。常见国产管材的力学性能见表3 l 1 o钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决

3、定的。输气管线 选材时，应选用屈服强度较高的钢种，以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越 好。屈服强度太高会降低钢的韧性。在选用钢种时，还应考虑钢的屈服强度与抗 拉强度的比例关系一一屈强比，一般输气管线用钢的屈强比不宜大于0. 85o同一种钢材，虽然最低屈服强度满足了规定要求，但若不限定最大抗拉应力值，则往 往同种管材性能差异很大，影响焊接性能和质量。抗拉强度与标准规定值超过太 多的钢韧性降低、延伸率降低，影响制管成形质量；并且给焊接工艺和焊料选择 都带来困难，使焊接性能不稳定，焊口韧性降低。因此，在确定管材的技术条件 时，除了要求屈服强度、抗拉强度外，对抗拉应力的高限应给以适当限定。以保 证钢

4、管的焊接性能。表3 1 1常用管材的力学性能标准钢种等最低抗拉强最低屈服强伸率可比较的API标准级度度S 50,%钢种1033520524AGB81632039024520B06MnV43029522X4216Mn49032521X46S20533020531 35AS2404152402528BS2904152902528X42GB9711S3154353152427X46S3604553602326X52SY5297S3854903852224X56S41551541521 23X60S4505304502023X65S4805654801921X7050= 1954.94X02标准为50

5、mm寸，伸长率S 50最小值按下式计算式中A 拉伸试样横截面面积，mrf;er b母材最低抗拉强度，MPa各种不同厚度不同钢种拉伸试样的伸长率最小值见SY 5297-91附录B。表列的数据为宽 38mm厚为610mm试样的伸长率。厚度小的取小值，厚 度大的取大值，中间值可内插。4.试件取样管材的力学性能是强度计算的依据，试件的取样必须能代表管子的力学性能。因此试验取样应在每炉钢制成的管子上切取。API 5L和GB 9711等钢管标准都有取样规定。实践证明，同钢级的钢，钢板上取样和管子上取样的力学性能差异较 大，这是由于钢板在生产和制管过程中会经过多次冷变形而引起的。钢在经反复 拉伸压缩后，力学

6、性能会发生变化，强度降低，严重的降低15%，这就是常说的鲍辛格效应。在订购制管用钢板时必须考虑这一因素，可采取在该级别钢的最小 屈服强度的基础上提高 4050MPa的方法。（二）断裂韧性管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂是在过大拉应力和裂纹缺陷同时存在的条件下，由细小的裂纹逐渐扩展而最终造成的断裂。韧性断裂又称剪 切断裂，其断裂断面特征是呈暗灰色纤维状。脆性断裂又称解理断裂，它是由低 温，应力和裂纹缺陷三种条件共同作用造成的，其断裂常在远低于钢材屈服应力 条件下突然发生，断裂后的断裂面呈发亮的结晶状。对于高强度、厚壁、韧性低 的管材在低温、高应力使用条件下容易发生断裂。为了防止管线在工

7、作条件下断 裂，可从消除管线裂纹缺陷，和提高钢材断裂韧性两方面入手。对于前者是属于 制管和施工应注意的；后者则是从选择管线用钢，提高钢材断裂韧性来防止管线 断裂。钢材的断裂韧性，是指含裂纹的金属材料在破断前吸收能量和塑性变形的能 力。对同一使用条件下，不同钢材有不同的断裂韧性。断裂韧性与钢材的化学成 分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有关。应尽可能降低钢中碳、硫、 磷的含量，适当添加钒、铌、钛、镍等合金元素，采用控制轧制，控制冷却等工 艺，使钢的纯度提高，材质均匀，晶粒细化，则可以提高钢的韧性。目前冶金技 术发达的国家在生产高强度管线用钢时，大都采用降碳增锰，减少硫、磷杂质， 改变杂质

8、形态等来提高管材的强度和韧性。比如API 51标准中规定X60钢含碳量最高允许为O. 26%，而实际生产中大多控制在0. 1 %左右，标准中还规定含碳量每降低0.01%,锰含量则允许比规定值提高 0.05%,锰含量最大可增至1.6%。 在硫、磷杂质控制方面，虽然API 5L标准只要求硫含量小于 0. 05 %，磷含量小于0. 04%，但生产时实际控制在 0. 001 %左右，远小于规定的允许含量。对于某种钢材，其断裂韧性在一定温度范围内是随使用温度的降低而降低。当温度低到某一临界温度附近时，韧性便会出现突然下降的现象。在这个温度下， 钢材从韧性断裂转变为脆性断裂。这个温度称作钢材的韧脆转变温度

9、。钢材的韧 性指标通常用剪切值、冲击吸收功来衡量，采用夏比冲击试验进行测定。管线工作温度越低，钢管工作应力越大（强度等级越高），管径和壁厚越大，对钢材冲击韧性要求也就越高。目前这几种因素对冲击韧性影响的定量研究尚不 充分，我国尚未对管线用钢韧性指标作明确规定，现将前苏联大型管线规范 中对管材冲击韧性规定值列于表3-1-2。我国部分管线及美国阿拉斯加输气管线管材韧性规定值列于表 3-1-3。管线用钢的断裂韧性，在钢管标准中是属于合同协议试验项目，用户需要根 据工程实际情况，确定是否增加断裂韧性试验，如果需要，还需确定试验方法、 标准、试验温度和验收指标，并在定货合同中注明。表3-1-2原苏联长输

10、管线用管材冲击韧性规定值公称直径工作压力冲击韧性值b kJ/cm2（不落锤撕裂试验剪切mmMPa小于）值 （不小于）50010.024.5-50060010.029.4-70080010.029.45010005.529.45010007.539.260100010.058.86012005.539.2607.558.8701078.48014007.578.480140010.0107.885 试验温度为-40C，试样按 r OCT9454-78中11 13类试样加工，壁厚等于大于lOmm者，试样高 75mm 对输送液态产品的管线，不提出剪切值要求。表3-1-2国内外部分工程管材韧性规定最小

11、值强度等级试验温度,c夏比冲击功，J剪切面积，平均最小平均最小靖西管线工程 426X52-301 20 |1159070陕京输气管线工程 660X60-4050389080西北输油管道工程 610X52035289080X60042329585X65048389585阿拉斯加管线 1066X70-5544185 762X70-5403085（三）焊接性能钢的可焊性指被焊钢材在一定的焊接工艺方法、工艺参数及结构形式的条件 下，能获得可靠焊接的难易程度。钢的可焊性是相对的，主要取决于钢的化学成 分。对钢的可焊性影响最大的合金元素是碳，其他合金元素的影响可以把它折算成与其等般作用的附加碳来估算。1.

12、碳当曰.量把钢中合金总含量换算成对可焊性有相同影响的碳的数量称碳当量，符合为CE。碳当量的计算方法较多，国际焊接协会（IIW）用来判定产生延迟裂纹（也称冷裂纹）倾向的碳当量计算式如下Cr + Mo + V5Ni + Cn1式中C（碳）、V（钒）、Mn（锰）、Cu（铜）、Cr（铬）、Ni（镍）、Mo（钼）均以各种成 分含量的重量百分数表示，其中钒的百分含量中尚可包括铌、钛的百分含量。在钢管的一般焊接条件下，焊口是快速冷却的，钢的硬化，尤其在紧靠焊缝 受热影响的粗粒区内，焊接会对这些成分产生影响。公式中分母数值提供了关于 焊口及其热影响区内金属硬化方面各元素的含量起作用的程度。当需要较精确地计算钢

13、中各种成分对焊接性能影响时，推荐采用CN%计算式中A（C）具体取值如下所示:C, %00.080.12。16 10.200.26A(C)0.5000.5840.7500.9160.980.998一般认为，碳钢的碳含量小于0. 25%，合金钢的碳含量小于 0. 45%，焊接性能良好。2 各种成分对焊接性能的影响钢管的可焊性与管材的化学成分密切相关，尤以碳、锰含量影响最大。（1）碳：碳对钢和焊缝金属的作用是提高强度和硬度，降低塑性和韧性。含碳 量增加，钢的可焊性降低。含碳量愈高，焊接时碳和氧发生反应而生成一氧化碳 的机会越多，在焊缝的熔合区和熔合线上更容易产生气孔。（2）锰：锰是炼钢的良好脱氧剂和

14、脱硫剂，在钢中加入一定数量的锰，能消除 或减弱钢因硫所引起的热脆性，提高钢的强度。但锰能使钢提高淬透性，对焊接 性能有不利影响。为了改善钢的焊接性能，应适当降低钢中碳的含量，焊接时可 采用低氢型焊条和相应焊接工艺。（3）镍：镍能使钢改善低温韧性和提高淬透性，并具有较高的抗腐蚀能力。（4）铬：能提高钢的耐腐蚀能力、抗氧化能力、耐高温性、淬透性及材料的耐 磨性能，加大焊缝热影区的硬度。（5）铌、钒、钛：添加在碳锰低合金钢中，经控制轧制和控制冷却可以提高钢 的强度，细化晶粒，改善可焊性和韧性。（6）磷、硫：在各类钢中均属有害杂质，它会降低钢的塑性、韧性和可焊性。（四）抗腐蚀性能长距离输气管道要求天然

15、气必须经净化处理，脱除硫化氢和水。在输送净化 天然气的条件下，不考虑管材的内壁防蚀。只有在输送的天然气既含水又含硫化 物的条件下，才考虑管材的抗硫化物应力开裂。目前抗硫化物应力开裂的主要方法是选用低碳钢和焊缝经热处理消除应力， 控制硬度不超过200HB常用的国产抗硫化物应力开裂的钢种有Q235, 10，15，20，09MnV等钢种。至今，还没有抗化学腐蚀的输气管道用钢，在有化学腐蚀的条 件下一般是采用增加腐蚀裕量或输气管采用内涂层来解决。（五）寒冷地带的管材选择所谓寒冷地带，一般指最低月平均温度低于-20 %的地区。当采用低温输送工艺时，应按最低输送温度计算。由于钢的韧性随温度降低而下降，当低

16、于钢的韧 脆转变温度时，管线会产生脆性断裂。寒冷地区管材的选择主要根据最低使用温 度，选用钢种的韧脆转变温度必须低于最低使用温度，钢的冲击吸收功必须大于 一定的值。不同强度等级的钢，要求的冲击吸收功的最小值不同。不同的使用温 度，对冲击吸收功的最小值要求也不相同。国内管材低温条件下使用的冲击吸收 功最小值尚无标准规定。低温压力容器用钢在最低设计温度下冲击吸收功最低规 定值见表3 1 4。低温用钢的冲击吸收功试验方法按GB 45159 84金属低温夏比冲击试验方法规定，冲击试样缺口按GB 2106金属（V型缺口）夏比冲击试验方法规定的标准试件加工。表3 1 4压力窖器用钢低温夏比（v型缺口）冲击

17、试验最低冲击功规定值钢材最低抗拉强度a bMPa三个试样的冲击功平均值Ak,J100mrW 10mrW 55mm5mrW 10mrW55mm450w 5152010515270.30.300.040.04GB375235260.200.7055Q2352780.350.300.040Q23528D7550.180.40Q255410255240.300.040.04A0.280.70550.070.350.1710335205310.140.650.370.350.030.250.150.2550.350.1720410245250.650.370.250.250.250.121.20.20.

18、0416mN510345220.201.60.60.055NbVTi09Mn27(00.030.03S2404152400.170.3500三种中的一种或C)1.15三种的任一组合0.65S2904352900.22表3-1-7国内外长输管线用钢管标准对照表国别无缝钢管直缝钢管螺旋缝钢管中国GB 8163-87SY 5297-91GB9711-88美国API SPEC 5L日本JIS G 3454JIS G3455德国NIN 1629DIN 17172前苏联r OCT 8731-8734rOCT 20295表3-1-8美、日、德管道常用钢种的力学性能强度等级供货条件最低屈服强度N/mrf（不小

19、于）抗拉强度N/mnn（不小于）断裂延伸 率 S 50, %（最小）缺口冲击韧性J（最小）APIJISSt210.7DIN171722103204402647/27 GradeAAPISpec 5L207331-STS 38JIS G345421637325STPG38JIS G345521637325St37.0DIN23535048025-1626St240.7DIN171722403704902447/27 GradeBAPISpec 5L241413-STPG42JIS G345424541220-STS 42JIS G345524541220-St44.0DIN16292754205

20、5021-StE290.7DIN171722904205402347/27 StE290.7TMDIN171722904205402347/27 X42APISpec 5L28948120StE320.7DIN171723204605802147/27 StE320.7 TMDIN171723204605802147/27 X46APISpec 5L317434-St 52.0DIN162635550065021-StE360.7DIN171723605106302047/27 X52TS 52KAPI Spec5L358410 -StE386.7DIN171723855306801947/3

21、1 StE386.7 TMDIN171723855306801947/31 X56APIspec 5L386486-StE415.7DIN171724155507001847/31 StE415.7 TMDIN171724155507001847/31 X60APISpec 5L413517-StE445.7 TMDIN171724455607101847/31 X65APISpec 5L448531-StE445.7 TMDIN171724806007501847/31 X70APISpec 5L482565-X80APISpec 5L551655862- 纵向试样/横向试样；不论纵向还是横

22、向试样都依赖于尺寸大小； 依赖于试验的值（对照API表）; 壁厚只到10mm 只对Da 508mm和壁厚9.5mm的管子，对 Da 508 mm的和壁厚w 9.5mm的管子见API; TS 52K为日本对我国供货双方协定标准，相似于我国16Mn钢，其化学成分（%） : C0.18 , Si0.2 0.55 , MN1.21.5 , P、S不在于 0.03。表3-1-9美、日、德管道常用钢种的化学成分供货条件化学成分，钢种C（最 高）SiMnP（最高）S（最高）V+No+TiVSt 210.7DIN171710.170.4 50.350.0400.035Grade AAPISpec5L0.210

23、.900.0400.050STPG 38JISG34540.250.350.900.0400.040STS 38JISG34550.250.10.350.31.100.0350.035St 37.0DINO.17 |0.0500.0501626StEDIN0.220.350.400.0400.045240.717172APITrade BSpec0.261.150.0400.0505LJISG0.3STPG 4234540.300.351.00.0400.040JISG0.10.3STS 4234550.300.351.400.0350.035DINSt 44.016260.210.0500.

24、050StEDIN0.220.450.50 0.0400.035290.7171721.10StEDIN0.120.400.50 0.0350.0250.12290.7TM171721.50API0.28 X42Spec51.250.0400.050JISG0.10.3STS 4934550.330.351.500.350.035StEDIN0.220.450.70 0.0400.035320.7171721.30StEDIN0.120.400.70 0.0350.0250.16320.7TM171721.50APIX46Spec-cc0.301.35 0.0400.0505LDINSt 52

25、.016260.220.551.600.0400.050DINSt 52.016290.220.551.600.0400.050StEDIN0.220.550.90 0.0350.0200.16360.7171721.50APIX52Spec0.301.350.0400.0505LStEDIN0.230.551.00 0.0400.035385.7171721.50StEDIN0.140.451.00 0.0350.0250.18 385.7TM171721.60X56APISpec5L0.261.350.0400.0500.05StE415.7DIN171720.230.551.00 1.5

26、00.0400.0350.15StE415.7TMDIN171720.140.451.00 1.600.0350.0250.18 X60APISpec5L0.261.350.0400.0500.05stE480.7TMDIN171720.160.551.00 1.600.0350.0250.18 X65APISpec5L0.261.400.0400.0500.05StE480.7TMDIN171720.160.551.00 1.700.0350.0250.18 X7CAPISpec5L0.231.600.0400.050X80APISpec5L0.181.800.0300.018 适用于无缝管：C=0.29 %; 数值仅适用于焊接的非伸张的管子，对焊缝的、冷伸张的CW 0.28 %，对无缝的、冷伸张的CW0.29 %，对无缝的、非伸张的CW0.31 %; Mn对所有冷伸张管适用； 对无缝管，所有的值根据协商； 仅对壁厚=150mmB勺管子； 进一步说明见当时的标准。三、塑料管与钢管和铸铁管相比较， 塑料管具有材质轻， 较强的耐腐蚀性，良好的